Строение железоуглеродистых сплавов

Строение железоуглеродистых сплавов определяется составом, условиями затвердевания и структурными изменениями в твёрдом состоянии. В зависимости от содержания углерода сплавы называют сталями (содержат углерода менее 2,14%) и чугунами (содержат углерода более 2,14%).

Кривые охлаждения сталей показаны на рисунках 1.2 и 1.3.

а б

Рис. 1.2. Левая верхняя часть диаграммы (а) и кривые охлаждения сталей (б) для интервала температур 1300÷1600 °С

Температуры фазовых превращений обозначены цифрами 1, 2, 3 и т.д. Затвердевание сталей, содержащих до 0,51% С, начинается с выпадения кристаллов d-твердого раствора обычно в виде дендритов (сплавы I, II, III, IV). При концентрациях углерода до 0,1% кристаллизация заканчивается образованием однофазной структуры d-твердого раствора (сплав I).

а б

Рис. 1.3. Левая нижняя часть диаграммы (а) и кривые охлаждения сталей (б) для интервала температур 300÷1000 °С

Стали с 0,1¸0,51% С после выделения некоторого количества d-твердого раствора испытывают перитектическое превращение (сплавы II, III, IV). В сталях в интервале концентраций 0,10¸0,16% С оно приводит к полному затвердеванию (сплавы II, III), а в интервале 0,16¸0,51% С кристаллизация завершается при охлаждении до температуры линии IE (сплав IV). В сплавах с 0,5¸4,3% С кристаллизация начинается с выделения аустенита также в виде дендритов (сплав V, рис. 1.2; аналогично выглядит кривая охлаждения сплава VI в интервале температур 1-2). Стали полностью затвердевают в интервале температур, ограниченном линиями ВС иIE, приобретая однофазную структуру аустенита.

Затвердевание чугунов ниже линии ВС (сплавы I, II, рис. 1.4), начинаясь с выделения избыточного (первичного) аустенита, заканчивается эвтектическим распадом остатка жидкости по одному из трех возможных вариантов:

· Ж ® А + Г, (в этом случае получаются так называемые серые чугуны)

· Ж ® А + Ц (получаются белые чугуны)

· Ж ® А + Г + Ц(получаются половинчатые чугуны).

а б

Рис. 1.4. Правая часть диаграммы (а) и кривые охлаждения (б) белых чугунов

В зависимости от условий кристаллизации графит выделяется в виде разветвленных или шаровидных включений, а цементит – в виде монолитных пластин и/или проросших разветвленным аустенитом (ледебурит). В сплавах, содержащих более 4,3% С (сплав III, рис. 1.4), кристаллизация расплава, переохлажденного ниже линии DC, в условиях медленного охлаждения начинается с образования первичного графита разветвленной или шаровидной формы. В условиях ускоренного охлаждения образуются пластины первичного цементита. При промежуточных скоростях охлаждения выделяются и графит, и цементит. Кристаллизация белых чугунов завершается распадом остатка жидкости на смесь аустенита с цементитом (ледебурит). На рисунке 1.4 показана правая часть диаграммы и кривые охлаждения белых чугунов.

Строение затвердевших железоуглеродистых сплавов существенно изменяется при дальнейшем охлаждении. Эти изменения обусловлены полиморфными превращениями железа, уменьшением растворимости в нем углерода, графитизацией цементита. Структура может изменяться в твердом состоянии в результате процессов рекристаллизации твердых растворов, сфероидизации кристаллов (из неравноосных становятся равноосными), коалесценции (одни кристаллы цементита укрупняются за счет других) высокоуглеродистых фаз.

Полиморфные превращения

Полиморфные превращения в железоуглеродистых сплавах связаны с перестройками гранецентрированной кубической (ГЦК) решетки g-Fe и объемноцентрированной решетки (ОЦК) a- и d-Fe.

При небольших переохлаждениях (и перегревах) имеет место нормальная перестройка решёток железа, осуществляющаяся в результате неупорядоченных индивидуальных переходов атомов от исходной фазы к образующейся; она сопровождается диффузионным перераспределением углерода между фазами. Образуются равноосные кристаллы твердого раствора с малым числом дефектов. Сплав I (рис. 1.2) при охлаждении испытывает полиморфное d«g превращение в интервале температур 3-4, в результате чего из кристаллов высокотемпературного феррита образуется аустенит. В интервале температур 5-6 в этом сплаве протекает полиморфное g«a превращение (рис. 1.3). В этом случае из аустенита образуется феррит.

При больших скоростях охлаждения или нагревания полиморфные превращения твёрдых растворов происходят бездиффузионным (мартенситным) путём. Решётка железа перестраивается быстрым сдвиговым механизмом в результате упорядоченных коллективных смещений атомов без диффузионного перераспределения углерода между фазами.